О чем речь? Свойства щелочных металлов определяются их строением и влияют на практическое применение. Так, температура кипения у них не превышает 1300 К или чуть больше +1000 °С, а также присутствует бурная реакция при взаимодействии с водой и кислородом.
На что обратить внимание? Щелочные металлы широко применяются в промышленности сами по себе и для создания сплавов и соединений. С учетом их свойств необходимо строго соблюдать технику безопасности на производстве.
Вопросы, рассмотренные в материале:
- Понятие и виды щелочных металлов
- Свойства щелочных металлов
- Сферы применения щелочных металлов
- Правила работы с щелочными металлами
- Часто задаваемые вопросы о свойствах щелочных металлов
Понятие и виды щелочных металлов
К щелочным металлам относятся литий (Li), натрий (Na), калий (K), цезий (Cs), рубидий (Rb) и франций (Fr). Они входят в главную подгруппу первой группы периодической системы химических элементов Д. И. Менделеева и представляют собой мягкие вещества серебристого цвета с характерным блеском свежесрезанной поверхности.
В твердом агрегатном состоянии щелочные элементы обладают металлической кристаллической решеткой, небольшой плотностью, высокой тепло- и электропроводностью и, как следствие, низкой температурой кипения и плавления.
В природе щелочные металлы встречаются в виде минеральных солей: хлоридов, бромидов, йодидов, карбонатов, нитратов и т. п. Они присутствуют в таких минералах, как:
- хлорид натрия (NaCl) – в быту – поваренная, а в природе – каменная соли;
- хлорид калия (KCl) – по-другому называется сильвин;
- хлорид натрия и хлорид калия (NaCl + KCl) – сильвинит;
- декагидрат сульфата натрия (Na2SO4⋅10Н2О) – глауберова соль;
- гидроксид калия (KOH) – едкий калий;
- карбонат калия (K2CO3) – поташ;
- алюмосиликат сложного состава с высоким содержанием цезия – поллуцит.
Промышленное производство лития представляет собой процесс электролиза расплава хлорида лития в смеси с KCl или BaCl2 (соли необходимы для снижения температуры плавления смеси).
Фото: wirestock / Freepik
Для получения натрия используют процесс электролиза расплава хлорида натрия с добавками хлорида кальция.
В качестве электролита в большинстве случаев используется смесь NaCl с NaF и КСl, благодаря которым температура реакции снижается до +610…+650 °С.
Для получения калия используется процесс электролиза расплавов солей или расплава гидроксида калия. Кроме того, этот щелочной металл образуется за счет термохимического восстановления из расплавов хлоридов или гидроксидов. В роли восстановителя выступают пары натрия, карбид кальция, алюминий, кремний.
Цезий получают путем нагревания смеси его хлорида и специально подготовленного кальция. В промышленных масштабах этот щелочной металл выделяют, многократно ректифицируя его в вакууме.
Свойства щелочных металлов
Общие свойства щелочных металлов, входящих в первую группу периодической таблицы Менделеева, заключаются в металлических характеристиках, серебристо-белом цвете, блестящей поверхности, которая быстро окисляется и тускнеет на воздухе.
К физическим свойствам щелочных металлов относится твердость. Так, наиболее твердым является литий, самым мягким – цезий. Однако любой из них можно разрезать ножом. Особенно высокой температурой плавления обладает литий (453,7 К), низкой – цезий (306,1 К).
К физическим свойствам щелочных металлов также относится плотность, самая малая – у лития. Этот параметр лития, натрия и калия ниже аналогичного параметра воды.
Все щелочные металлы обладают свойством электропроводности. Так, у натрия при комнатной температуре она в три раза ниже, чем у серебра, имеющего наиболее низкое удельное сопротивление.
Какие еще свойства присущи щелочным металлам? Их отличительная черта заключается в низкой температуре кипения – ниже 1300 К (исключение составляет литий). В газообразном состоянии они представляют собой одноатомные молекулы.
Для этих металлов характерна высокая химическая реакционная способность, увеличивающаяся от лития к цезию. Li вступает в реакцию с кислородом только при температуре выше 370 К, поэтому в обычных условиях сохраняет металлический блеск. Прочие окисляются при комнатной температуре. Для их хранения используют керосин, в котором элементы не утрачивают блеска. На воздухе Li при сжигании образует оксид, Na – пероксид, K, Rb и Cs – супероксиды.
Одно из свойств щелочных металлов заключается в характерной реакции при контакте с водой. Na при этом выделяет тепло, достаточное для его плавления, K – воспламеняется, а Rb и Cs – взрываются. Кроме того, самопроизвольное воспламенение цезия возможно при взаимодействии с кислородом. Литий наравне с магнием, входящим во вторую группу периодической таблицы Менделеева, образует труднорастворимые карбонаты и фосфаты.
Сферы применения щелочных металлов
Наиболее востребованным щелочным металлом является натрий, необходимый для производства металлов и сплавов. Например, он выступает в роли восстановителя для получения таких металлов, как калий, титан и цирконий.
Также его используют для образования неорганических и органических соединений, применяют в качестве восстановителя органических соединений, катализатора.
Сплав натрия и калия находит применение в ядерных реакторах, где выступает теплоносителем.
Литий используется в производстве медных, магниевых и алюминиевых сплавов для придания им легкости. Он образует переходящие в шлак соединения с кислородом, водородом, азотом, серой, поэтому применяется для очищения металлов от примесей названных веществ.
В фотоэлементах, преобразующих световую энергию в электрическую, присутствуют такие щелочные металлы, как калий, рубидий и цезий.
Сульфат натрия необходим для изготовления соды, стекла, серной кислоты.
Без хлорида натрия невозможно производство натрия, гидроксида натрия, хлора, хлороводородной кислоты, соды. Растворы NaCl находят применение в различных сферах, от медицинской (физрастворы) до бытовой (для засолки овощей).
Основное применение солей калия состоит в их использовании при производстве минеральных удобрений. Недостаток K в почве чреват медленным ростом сельхозкультур, поражением вредителями и т. п. Чаще всего в сельском хозяйстве применяют удобрения на основе хлорида, нитрата и сульфата калия.
Также в качестве удобрения используют соединения калия (например, K2CO3), которые присутствуют в золе, образующейся в результате сгорания древесины и растений.
В электролитах щелочных аккумуляторов содержатся гидроксиды натрия, калия и лития.
При производстве мыла и синтетических моющих средств используют соединения Na и K.
Изготовление специальных стекол невозможно без добавления соединений Li, Rb и Cs.
Правила работы с щелочными металлами
Химические свойства щелочных металлов, в том числе высокая активность, требуют строгого соблюдения техники безопасности при работе с ними. Хранить их необходимо в отдельных запаянных емкостях. Добавление в контейнеры слоя керосина или вазелинового масла способствует предотвращению контакта с кислородом и самопроизвольного возгорания.
На предприятия, выполняющие работы с щелочными металлами, возлагается обязанность по разработке специальных правил и мер, которые исключают возникновение аварийных ситуаций и производственных травм.
Фото: Freepik / Freepik
Прежде чем приступить к работе с щелочными металлами, сотрудники предприятия должны пройти обязательный производственный инструктаж (ежедневный предварительный – перед началом работы, а также периодический, проводимый ежеквартально и ежегодно). В него входит изучение отраслевых, ведомственных и локальных нормативных актов, касающихся техники безопасности на производстве.
Из-за особенностей строения щелочных металлов, их физических и химических свойств специалисты при работе с ними должны использовать спецодежду, а также средства индивидуальной защиты.
Щелочи (растворы щелочных металлов) при контакте с кожей могут вызвать раздражения и ожоги, при попадании в глаза – привести к полной слепоте. В связи с этим использование средств защиты органов зрения, дыхания, кожных покровов является обязательным требованием, несоблюдение которого влечет недопуск к рабочему месту.
Из-за особенностей химических свойств щелочных металлов при контакте с кислородом они могут самопроизвольно воспламеняться или взрываться. Поэтому правила безопасности требуют оснащения рабочих мест исправными средствами пожаротушения. При подавлении огня важно помнить, что щелочные элементы могут воспламеняться при взаимодействии с водой.
Читайте также: Лучшая марка стали: как определить и выбрать
Для борьбы с возгоранием натрия и калия подходят аргон и азот. Эффективность первого выше, так как он тяжелее воздуха. Азот и углекислый газ не подходят для тушения горящего лития, справиться с огнем в данном случае помогут специальные порошковые составы Вексон-D3, состоящие из флюсов и графита с гидрофобизирующими добавками.
Утилизация отходов щелочных металлов также требует строгого следования правилам безопасности, для их нейтрализации используются специально разработанные составы.
Почему следует обращаться именно к нам
Мы с уважением относимся ко всем клиентам и одинаково скрупулезно выполняем задания любого объема.
Наши производственные мощности позволяют обрабатывать различные материалы:
- цветные металлы;
- чугун;
- нержавеющую сталь.
При выполнении заказа наши специалисты применяют все известные способы механической обработки металла. Современное оборудование последнего поколения дает возможность добиваться максимального соответствия изначальным чертежам.
Для того чтобы приблизить заготовку к предъявленному заказчиком эскизу, наши специалисты используют универсальное оборудование, предназначенное для ювелирной заточки инструмента для особо сложных операций. В наших производственных цехах металл становится пластичным материалом, из которого можно выполнить любую заготовку.
Преимуществом обращения к нашим специалистам является соблюдение ими ГОСТа и всех технологических нормативов. На каждом этапе работы ведется жесткий контроль качества, поэтому мы гарантируем клиентам добросовестно выполненный продукт.
Благодаря опыту наших мастеров на выходе получается образцовое изделие, отвечающее самым взыскательным требованиям. При этом мы отталкиваемся от мощной материальной базы и ориентируемся на инновационные технологические наработки.
Мы работаем с заказчиками со всех регионов России. Если вы хотите сделать заказ на металлообработку, наши менеджеры готовы выслушать все условия. В случае необходимости клиенту предоставляется бесплатная профильная консультация.
Изображение в шапке статьи: VecMes / Freepik
Часто задаваемые вопросы о свойствах щелочных металлов
Каковы особенности взаимодействия щелочных металлов с неметаллами?
Активную реакцию можно наблюдать при контакте щелочных металлов с галогенами, в результате образуются соответствующие галогениды. Сульфиды, гидриды, фосфиды получают в качестве продукта взаимодействия с серой, водородом и фосфором при нагревании.
Каковы особенности взаимодействия щелочных металлов с кислородом?
Взаимодействие лития и кислорода приводит к образованию оксида, продуктами реакции прочих щелочных металлов являются пероксиды или надпероксиды.
Каковы перспективы использования щелочных металлов?
Ученые разрабатывают высокотемпературные сверхпроводники, в основе которых лежат соединения натрия. Их используют при производстве магнитов нового поколения. Наночастицы применяют в медицине, оптике и т. п. Например, наночастицы золота покрывают щелочными металлами и аккумулируют в опухолевых клетках. Несмотря на то, что щелочные металлы известны давно, в настоящее время специалисты продолжают открывать новые возможности для их применения.
